Az elmúlt hónapokban a Csernobil sorozatnak köszönhetően a közvélemény ismét felkapta az atomerőművek és a nukleáris fegyverek által okozható pusztítások témakörét, és egyre többen érdeklődnek a maghasadással  működő szörnyetegek mögött meghúzódó fizika iránt. Ennek ellenére a nukleáris apokalipszis réme már rengeteg filmben megjelent, köztük a Threads című filmben, ám a második világháború után is rengeteg alkotás foglalkozott a radioaktív sugárzások miatt szörnyeteggé változott lényekkel. Rovatunk következő részében ezért szeretnénk bemutatni nektek a radioaktív bomlások és a fisszió  fizikáját, valamint megmutatni, hogyan is működik egy atomerőmű és az emberiség egyik legnagyobb réme, az atombomba.

A világunkban megtalálható objektumokat, élőlényeket és tárgyakat, ahogy a középiskolában jól megtanultuk, atomok építik fel. A szó a görög atomosz, vagyis oszthatatlan szóból ered, hiszen mikor felfedezték őket, úgy gondolták, ezek a legkisebb elemi részecskék az univerzumban. Hamarosan azonban kiderült, hogy atomnak van egy úgynevezett atommagja, mely körül elektronok vannak az elektrofelhőben, és mely atommagot két másik hadron, protonok és neutronok építik fel, melyek között az erős kölcsönhatás hat. A protonok száma különbözteti meg az egyes kémiai elemeket, így például a 6 protonnal rendelkező atomot szénatomnak, míg a 8 protonnal rendelekzőt oxigénatomnak hívjuk. A neutronok, melyek semleges töltésű részecskék, száma pedig meghatározza az egyes atomok izotópjait-amelyek tehát nem mások, mint azonos protonszámú és különböző neutronszámú atomok. A protonokat és neutronokat együtt nukleonoknak szokás nevezni, a nukleáris reakciók, melyek az atomreaktorokban és atombombákban működnek, pedig ezen a szinten játszódnak le.

Mielőtt részletsen belemennénk a nukleáris reakciók fizikájába, fontos átbeszélnünk a radioaktív bomlások természetét. A radioaktív bomlás egy valószínűségi folyamat, mely során adott számú radioaktív izotóp egy része elbomlik más izotópokká. Azt az időt, amely során az adott számú izotóp a felére bomlik, felezési időnek nevezzük, míg az egy időegység alatt elbomló részecskék száma az izotóp aktivitása. A bomlás során az izotóp három fajta sugárzást bocsájthat ki: az alfa sugárzás hélium atommagokból álló sugárzás, melyeknek 2 a protonszáma (rendszáma) és 4 a tömegszáma (a protonok és neutronok összege). A béta sugárzás természetétől függve állhat elektronokból vagy azok antirészecskéjéből, a pozitronokból. Végül megkülönböztetjük még a gamma sugárzást, mely a fény felépítő részecskékből, a fotonokból áll. Ezek alapján kijelenthetjük, hogy az izotóp csak akkor bomlik el más izotóppá, ha a bomlás alfa vagy béta sugárzás, hiszen ekkor változik meg az izotóp rendszáma. Mivel a hélium atommagnak 4-es a tömegszáma, így négy bomlási sort különböztethetünk meg, amelyeken az izotópok végigmehetnek. Ezek az aktínium sor (kezdő izotópja a 235-ös tömegszámú urán izotóp), a tórium sor (kezdő izotópja a 232-es tórium), a neptúnium sor (a 237-es neptúniummal kezdődik) és az urán sor (a 238-as uránnal kezdődik). Ezek közül a neptúnium sor már lebomlott az idők folyamán. A radioaktív sugárzások ionizáló sugárzások, vagyis ha kölcsönhat egy atommal vagy molekulával, akkor azt ionoizálja. A legerősebben ionizáló sugárzás az alfasugárzás, ezt követi a béta és gamma sugárzás.

Az atombombák és atomerőművek maghasadással, vagy idegen szóval magfisszióval működnek. Maghasadás során az atommag több kisebb részre szakad, melyet gamma és neutronsugárzás követ. A maghasadás történhet spontán, mely energetikaliag csupán a 230-as tömegszám fölött valósul meg. Másik módja a neutronbefogás, mely során az atommag elnyel egy neutront, mellyel az új izotóp erősen gerjesztett lesz és ez vezet a maghasadáshoz. A maghasadás során újabb és újabb neutronok szakadnak ki, melyek újabb és újabb fisszióhoz vezetnek, ezáltal létrehozva a láncreakciót. Az atombombákban és atomreaktorokban az urán és a plutónium izotópjait használják hasadóanyagonak. Egy atommag hasadásakor jelentős energia szabadul fel, köszönhetően Einstein híres tömeg-energia ekvivalenciájának, ráadásul a keletkezett  izotópok is erőteljesen radioaktívak lehetnek, ezekben rejlik tehát az atombomba veszélye. A fissziót azonban, ellenőrzött körülmények között nem csak pusztításra, hanem energiatermelésre is használhatjuk, ezt nevezzük atomreaktornak. Az atomreaktorokban 238-as uránt használnak, melyet 235-ös uránnal dúsítanak, mert a 238-as izotóp nehezebben fogja be a neutronokat. Ezen kívül, mivel a gyors neutronokat így sem könnyű befogni, egy neutronmoderátorral a semleges részecskéket lelassítják. Ez a moderátor lehet nehézvíz (deutetron magú hidrogénes víz) vagy grafit, melyet a Csernobilhoz hasonló RBMK reaktorokban használtak. A lelassult neutronok a termikus neutronok. Az atomreaktort jellemző mennyiség az úgynevezett reaktivitás, mely azt mutatja meg, hogy az önfenntartó láncreakció külső neutron forrás nélkül megvalósul-e vagy sem. Ha ez a szám 0-nál nagyobb, akkor a reaktor szuperkritikus állapotban van, melynél a reaktorteljesítmény nő az idő függvényében. A keletkező egyre több és neutront szabályozórudakkal nyeletik el, ezek neutronelnyelő anyagokból készülnek. Az atomerőművekben 3 kör működik: a primer körben taláható a reaktor, és melynek feladata a gőztermelés. A szekudner kör feladata, hogy ez a gőz megforgasson egy turbinát, indukció által elektromosságot keltve. A harmadik kör feladata az atomerőmű hűtése, ezért átalában folyópartra építik ezeket a monstrumokat.

Miután megismertük az atomerőművek alapvető felépítését, át tudjuk beszélni, mi is okozta 1986. április 26-án az Ukrán SZSZK-ban a cseronbili Vlagyimir Iljics Lenin atomerőmű katasztrófáját, melyet az HBO legújabb sorozata, a Csernobil is részletesen bemutatott. Csernobilban grafitmoderátos, úgynevezett RBMK reaktor volt, amely akkoriban igen elterjedt reaktortípus volt a Szovjetunióban. Április 25-ére az atomerőműben egy tesztet akartak elvégezni, hogy vészleállás során a keringetőszivattyúkat a turbógenerátorok mozgási energiáját kihasználva járassák, ezért megkezdték az erőmű teljesítményének csökkentését. Sajnos a kísérletet késletetni kellett, ezért fél napig alacsony teljesítményen üzemelt a reaktor. Ez ahhoz vezetett, hogy az urán hasadásából keletkező 135-ös xenon mennyiség megnőtt a reaktorban, melyet xenon-mérgezésnek nevezünk, hiszen ez az izotóp elnyeli a neutronokat, ráadásul, mivel mennyiségük nem állandó, kiszabályozásuk nehéz. A xenon-mérgezés tehát instabillá tette a reaktort. Emelett igen magas volt a pozitív üregtényező, ami azt jelenti, hogy ha a reaktor hütővizében gőzbuborékok keletkeznek, a láncreakció felgyorsul és szabályozhatatlanná válik. Et ráadásul alacsony teljesítménynél nem ellensúlyozzák más tényezők. A legvégzetesebb hiba pedig a szabályozórudak felépítése volt: a rudak vége grafitból készült, ami először ért be a reaktorba, mikor megnyomták a vészhelyzeti AZ-5-ös gombot, ezzel, mivel a grafit neutronmoderátor, megnövelték a láncreakció sebességét. Ez a hiba pedig végzetes volt, a reaktor felrobbant.

A radioaktív sugárzások biológiai hatásait a mai napig kihasználják az orvostudományban: gondoljunk csak a radioaktív jódkezelésre, melyet a túlműködő pajzsmirigyek meggyógyítására szoktak használni. Azonban nagyon nagy ionizáló sugárzás esetén a biológiai szervezetekben megjelennek a sugárbetegség jelei. Az egységnyi tömeg által elnyelt sugárzási energiát dózisnak, míg ennek a szövetekre és sejtekre való hatását jellemző mennyiséget egyenérték dózisnak nevezzük, melynek mértékegysége a Sievert (Sv). A természetes háttérsugárzás 2-4 mSv évente, ennél az értéknél jóval magasabb dózisnál jelentkeznek a sugárbetegség tünetei, melynek lefolyása a kapott dózistól függ, halál pedig biztosan körülbelük 6 Sv fölött jelentkezik.  Kezdetben hányinger, étvágytalanság, nagyobb dózis esetén pedig légszomj, levertség és mozgáskoordinációs zavar lép fel. Ezután a következő 10-20 nap tünetmentes, majd a fő vagy kritikus szakaszban jelentkezhet láz, bőrpír, a szőrzet kihullása, nagy dózis esetén pedig sokk, hánykolódás, görcsök majd kóma. Ezt követheti vagy a lábadozás, vagy a sugárbeteg halála.

Ilyen és hasonló szörnyűségekkel kellett tehát szembenéznie mind Csernobil áldozatainak, mind pedig azoknak, akik elhunytak a Hiroshimára és Nagasakira ledobott atombombáknak köszönhetően. A nukleáris technológia kiválő energiaforrás, azonban rossz kezekben veszélyes, nem véletlenül féltek az emberek annyira az atomháborútól, hogy a ’70-es évek óta szabályozzák a nukleáris fegyverek gyártását. Remélhetőleg a gombafelhő fenyegető rémével soha többé nem kell szembenéznie az emberiségnek.

Kele-man